Olbaltumvielas

«Proteīni» pāradresējas uz šejieni. Citas nozīmes skatīt lapā Proteīni (nozīmju atdalīšana).

Kosmosā izaudzēti olbaltumvielu kristāli

Olbaltumvielas jeb proteīni (no franču: protéine vai vācu: Protein, kas savukārt no grieķu: πρῶτος (protōs) — 'pirmējs'), nereti saīsināti arī kā olbaltumi vai OBV, ir biopolimēri, lielmolekulāri savienojumi, ko veido līdz pat 20 dažādu α-aminoskābju saturošas lineāras virknes, kurās aminoskābes savstarpēji saistītas ar peptīdsaitēm. Polipeptīds ir olbaltumvielas molekula veidošanās procesā, kas savijusies lodveida (globulārā) vai pavedienveida (fibrilārā) formā.

Iedalījums

Olbaltumvielas iedala:

• vienkāršajās olbaltumvielās (proteīnos), kas veidotas tikai no vienas vai vairākām aminoskābju virknēm, piemēram, albumīns;
• saliktajās olbaltumvielās (proteīdos), kurās bez aminoskābju virknes/-ēm sastāvā ir arī citas vielas, piemēram, hemoglobīns.

Vienkāršās olbaltumvielas

Albumīna struktūra

Vienkāršās olbaltumvielas jeb proteīni ir tikai no vienas vai vairākām aminoskābju virknēm sastāvošas olbaltumvielas. Nereti ar jēdzienu „proteīns” saprot arī olbaltumvielas kā tādas.

Vienkāršās olbaltumvielas nav iespējams iedalīt grupās, balstoties uz to ķīmisko struktūru un sastāvu, kas ir salīdzinoši sarežģīts, tāpēc tos grupē pēc šķīdības dažādos šķīdinātājos un daļiņu formas. Pazīstamākie proteīnu veidi:

• Albumīni — neitrāli, ūdenī un atšķaidītos sāļu šķīdumos šķīstoši. Piesātinātos sāļu šķīdumos nešķīst. Ar vislielāko bioloģisko uzturvērtību. Sastopami gan dzīvnieku, gan augu valstī, piemēram olas baltumā (ovoalbumīni) un pienā (laktoalbumīni).
• Globulīni — neitrālas, ūdenī nešķīstošas olbaltumvielas. Šķīst atšķaidītos sāļu šķīdumos (piemēram, 10% NaCl šķīdumā). Sastopamas gan augu, gan dzīvnieku valstī, Piemēri — asiņu bioloģiskās antivielas.
• Histoni — bāziskas oltaltumvielas (satur 20—30% diaminomonokarbonskābes), kas šķīst skābos, neitrālos šķīdumos, sārmu pārākumā, izņemot amonjaka pārākumā. Ietilpst nukleoproteīdu sastāvā.

Cilvēka hemoglobīna molekula

• Skleroproteīni — nešķīstoši ūdenī un lielākajā daļā citu šķīdinātāju. Piemēri — ādas, matu, spalvu keratīns; cīpslu un kaulaudu starpšūnu vielas kolagēns; elastīgo saišu elastīns.

Saliktās olbaltumvielas

Saliktās olbaltumvielas jeb proteīdi, kopā ar aminoskābēm, satur arī vēl citas vielas jeb t.s. prostētiskās grupas (t.i., savienojumi, kuri nav veidoti no aminoskābēm, piemēram, nukleīnskābes, lipīdi, ogļhidrāti, fosforskābe, hēms, metāla joni utt).

Biežāk sastopamās salikto olbaltumvielu klases:

• Fosfoproteīni ir parastā olbaltumviela savienojumā ar fosforskābes vai pirofosforskābes atlikumu, piemēram, pienā esošais kazeīns vai olas dzeltenumā esošie bitelīni.
• Nukleoproteīdi ir parastā olbaltumviela savienojumā ar nukleīnskābēm. Veido ribosomas un ietilpst šūnu kodolos. Piemēram, histonu un nukleīnskābju veidotais hromatīns iesaistās šūnu dalīšanās procesā, kā arī iedzimtības informācijas pārnešanā.
• Glikoproteīdi satur ogļhidrātus (visbiežāk aminocukurus, heksuronskābes un ogļhidrātu sērskābes esterus). Tie atrodas balstaudu, saistaudu un gļotvielu sastāvā, piemēram, kaulos sastopams osteomukoīds un siekalās, kā arī zarnu gļotādu sekrētā esošais mucīns.
• Lipoproteīni ir olbaltumvielas savienojumā ar dažādiem lipīdiem (troglicerīniem, fosfolipīdiem, holesterīnu utt.). Tiem ir liela nozīmē tauku pārnesē no aknām uz citiem orgāniem.

Uzbūve

Peptīdsaites ķīmiskā uzbūve (apakšā) un trīsdimensionālā peptīdsaites struktūra starp alanīnu un kādu citu aminoskābi (augšā)

Hemoglobīna visu četru struktūru attēlojums

Olbaltumvielas molekulu veido vismaz viens garš polipeptīds — virkne aminoskābju atlikumu, kas savstarpēji saistījusies ar peptīdsaitēm. Dažādām olbaltumvielām polipeptīdi ir dažādu aminoskābju secība un garumu. Vienu olbaltumvielas molekulu vidēji veido vairāk nekā 100 aminoskābes, no kurām dažādas var būt līdz pat 20 aminoskābēm. Olbaltumvielām var būt 2×10²³ variācijas. Īsus polipeptīdus, kuros ir tikai 20—30 aminoskābju atlikumi, sauc par peptīdiem vai oligopeptīdiem, un tos parasti vēl neuzskata par olbaltumvielām.

Olbaltumvielas veido tikai proteinogēnās jeb α-aminoskābes, augiem un dzīvniekiem — L rindas enantiomēri, bet mikroorganismiem — arī D rindas enantiomēri. Olbaltumvielu molekulmasa var būt no dažiem desmitiem tūkstošu līdz vairākiem miljoniem daltonu (Da).

Izšķir 4 struktūras:

1. Pirmējā jeb primārā struktūra — katrai aminoskābei ir divas funkcionālās grupas — karboksilgrupa (-COOH) un aminogrupa (-NH2), kas spējīgas reaģēt ar citu aminoskābju pretējām funkcionālajām grupām, savienojoties kovalentajā vai peptīdsaitē un veidojot aminoskābju virkni. Zināma loma pirmējās struktūras veidošanā ir arī disulfīda saitēm, kas veidojas starp cisteīna atlikumiem.
2. Otrējā jeb sekundārā struktūra ir aminoskābju virknes izvietojums telpā vai nu α spirālē vai „salocītai lapai” līdzīgā β struktūrā, ko nodrošina ūdeņraža saites (samērā vājas saites starp vienas peptīdgrupas ūdeņraža atomu un citas peptīdgrupas nedalīto skābekļa atomu).
3. Trešējā jeb terciārā struktūra ir otrējās struktūras tālāks sakārtojums telpā, olbaltumvielas molekulu veidojošo aminoskābju sānvirknēm savstarpēji mijiedarbojoties. Pēc olbaltumvielā esošo aminoskābju atlikumu uzbūves un īpašībām iespējami 5 mijiedarbību veidi:

• disulfīda saite (S-S), kas veidojas starp 2 cisteīna atlikumiem;
• hidrofīlā mijiedarbība, visbiežāk veidojoties ūdeņraža saitei starp polārām neitrālām sānvirknēm;
• hidrofobā mijiedarbība, kas noris starp nepolārām neitrālām sānvirknēm;
• sāļu jeb jonu saite, kas veidojas starp jonizētām skābām un jonizētām bāziskām sānvirknēm;
• aromātiskā mijiedarbība, kas noris starp aminoskābēm ar aromātiskām sānvirknēm.

Šo mijiedarbību rezultātā molekula savijas vai nu globulā (α spirāles) vai fibrillā (β struktūras). Šāds molekulu formas iedalījums gan nav absolūts, jo iespējamas arī starpformas, kad trešējo struktūru vienlaikus veido gan otrējās struktūras α spirāles, gan β struktūras.

4. Ceturtējā jeb kvartārā struktūra — olbaltumvielas globulas (fibrillas neveido ceturtējo struktūru), savstarpēji saistoties, veido kompleksus. Tās apvienojas, lai varētu funkcionēt, piemēram, vienā hemoglobīna molekulā ietilpst četras globīna molekulas, lai tas varētu veikt skābekļa pārneses funkcijas. Ceturtējo struktūru stabilizē jonu un ūdeņraža saites.

Temperatūras, starojuma, stipru skābju vai bāzu, koncentrētu neorganisko sāļu, kā arī organisko šķīdinātāju iedarbībā olbaltumvielas var secīgi zaudēt ceturtējo, trešējo un daļēji arī otrējo struktūru. Šo procesu sauc par denaturēšanos. Vispazīstamākais olbaltumvielu denaturēšanās piemērs ir olas baltuma sarecēšana karsējot — notiek tajā esošā albumīna denaturēšanās un no šķidra un puscaurspīdīga tas kļūst stingrs un balts. Ļoti retos gadījumos, neitralizējot denaturētāja iedarbību, denaturēšanās var arī būt apgriezeniska, un tādā gadījumā šo olbaltumvielas struktūras atjaunošanos sauc par renaturēšanos.

Funkcijas

Olbaltumvielas veic daudzas organismu bioloģiskās funkcijas:

1. Fermentatīvā, enzīmā jeb katalītiskā funkcija ir dzīvajos organismos notiekošo vielmaiņas reakcijas, kā arī DNS replicēšanas, reparācijas un transkripcijas reakciju veicināšana un paātrināšana. To veic olbaltumvielas — fermenti jeb enzīmi, pie savas neolbaltumvielas daļas kofaktora aktīvā centra piesaistot substrātus jeb savienojumus, kuru pārvērtības tie katalizē. Kofaktori var būt dažādi vitamīni un metālu joni, kas piedalās elektronu un veselu atomu pārnesē no vienas savienojuma vietas uz otru.
2. Uzbūves funkcija. Daudzas fibrillārās olbaltumvielas vielas organismā veido savītas šķiedras, kas dažādām bioloģiskām struktūrām sniedz izturību. Piemēram, kolagēns ir saistaudu un skrimšļaudu pamatviela, muskuļu saišu sastāvā ir elastīns, bet keratīns ir nagu, ragu, matu galvenā sastāvdaļa.
3. Fotoaktīvā funkcija ir funkcija, kura ar gaismas ierosmi izpaužas kā elektrisks impulss. Piemēram, šādu funkciju veic hlorofils, kas nepieciešams fotosintēzes reakcijās. Svarīga fotoaktīva olbaltumviela ir rodopsīns, kas gaismas iedarbībā ierosina nerva impulsu.
4. Receptorā funkcija ir ārējās vides signālu uztveršana, jo olbaltumvielas atrodas ārējos maņu orgānos.
5. Kustību funkcija ir muskuļu saraušanās funkcija. Šeit jāmin miozīns un aktīns, kas nodrošina muskuļa šķiedru miofibrillu saraušanos.
6. Transporta funkciju nodrošina asins plazmas olbaltumvielas, kas veic molekulu vai jonu pārnesi no viena orgāna uz otru. Piemēram, hemoglobīns saista plaušās ieelpoto skābekli un nogādā to uz perifērajiem audiem, kur to izmanto uzturvielu oksidēšanai.
7. Aizsargfunkcija ir funkcija, kura nodrošina organisma imunitāti. Piemēram, b-limfocīti izstrādā speciālas olbaltumvielas — antivielas, kas neitralizē organismā iekļuvušās baktērijas, vīrusus un svešās olbaltumielas.
8. Enerģētiskā funkcija ir olbaltumvielu sniegtais organisma nodrošinājums ar enerģiju (kad galvenā enerģijas ieguves avota — ogļhidrātu un tauku — rezerves ir beigušās, tad tiek izlietotas olbaltumvielas). No viena grama olbaltumvielu organisms iegūst 4,1 kcal.
9. Signālfunkcija. Liela daļa hormonu ir īpašas olbaltumvielas, kurām iedarbojoties uz šūnām, tās maina savu aktivitāti.

Biosintēze

Olbaltumvielas sintezē ribosomas. Aminoskābju secību olbaltumvielā nosaka secība olbaltumvielu kodējošajā gēnā. Kopumā ģenētiskais kods kodē 20 standarta aminoskābes, taču noteiktos organismos ģenētiskais kods var noteikt unikālas aminoskābes, piemēram, selenocisteīnu, kā arī pirrolizīnu (arhejiem). Īsi pēc olbaltumvielas sintēzes šūnā (dažreiz arī sintēzes laikā) olbaltumvielām var tikt mainītas gan fiziskās, gan ķīmiskās īpašības, piemēram, stabilitāte, aktivitāte, salocīšanās un funkcija. Dažreiz olbaltumvielām ir pievienotas nepeptīdu grupas, ko sauc par kofaktoriem. Olbaltumvielas var mijiedarboties savā starpā un veidot sarežģītus kompleksus, kas pilda specifiskas funkcijas.

Olbaltumvielām izveidojoties, tas var pastāvēt tikai noteiktu laiku līdz tas tiek noārdītas un pārstrādātas šūnas organoīdos. Olbaltumvielu dzīvildze tiek mērīta ar pussabrukšanas laiku, kas katrai olbaltumvielai ir atšķirīga — tā var pastāvēt no dažām minūtēm līdz pat gadiem.

Nozīme uzturā

Olbaltumvielas ir būtiskākā dzīvo organismu šūnu sastāvdaļa (no tām sastāv 45% no dzīvnieku organisma sausnas). Organismā ir vairāk nekā 200 000 olbaltumvielu. Tās galvenokārt veido 20 dažādas α-aminoskābes, no kurām 8 ir neaizstājamas: izoleicīns, leicīns, metionīns, fenilalanīns, treonīns, triptofāns, valīns, lizīns (zīdaiņiem — arī histidīns un arginīns). Atšķirībā no vairuma mikroorganismu un augu, dzīvnieku (t.sk. cilvēku) organisms pats tās nespēj sintezēt, tādēļ šīs aminoskābes jāuzņem ar uzturu.

Ola, kuras baltums tiek uzskatīts par vērtīgāko neaizstājamo aminoskābju avotu

Dažāda vecuma cilvēkiem ieteicams uzturā uzņemt dažādu olbaltumvielu daudzumu. Saskaņā ar Pasaules veselības organizāciju, zīdaiņiem uz katru ķermeņa kilogramu jāuzņem 2 grami olbaltumvielu, kas, cilvēkam pieaugot, pakāpeniski samazinās un pieaugušiem un veciem cilvēkiem jau sasniedz vairs tikai 0,8 gramus olbaltumvielu uz ķermeņa vienu kilogramu. Cilvēkiem ar lielu fizisko slodzi savukārt jāuzņem nedaudz lielāks olbaltumvielu daudzums — 0,9—1.1 g/ķermeņa kg.

Par vērtīgāko neaizstājamo aminoskābju avotu dietoloģija atzīst olas baltumu (no 100 g uzņemtā olas baltuma organisms spēj veidot 100 g ķermeņa olbaltumu); tiem seko kartupeļi, liellopa gaļa, zivis, piena produkti, pākšaugi (sojas olbaltums pēc aminoskābju sastāva ir līdzvērtīgs gaļas olbaltumam), kukurūza u.c. Kombinējot uzturā dažādus produktus (pākšaugus apvienojot ar graudaugiem vai kartupeļiem, olas — ar pienu, pienu ar graudaugiem u.tml.), iespējams iegūt vērtīgāku olbaltumu par olu.

Olbaltumvielu trūkuma apstākļos bērniem palēninās garīgā un fiziskā attīstība. Pieaugušajiem olbaltumu trūkuma dēļ rodas muskuļu vājums, miegainība, samazinās spēja pretoties infekcijām. Ja olbaltumvielas tiek uzņemtas pārāk lielā daudzumā, rodas nepatika pret produktiem, kuru sastāvā ir olbaltumvielas. Regulāra pārmērīga olbaltumu uzņemšana veicina nieru kamoliņu hiperfiltrāciju, kas ar laiku var radīt nefrosklerozi un hipertoniju (parasti rodas cilvēkiem, kam ir iedzimta nosliece uz nieru slimībām vai cilvēkiem, kuriem jau ir bojātas nieres).

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Olbaltumvielas.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Brockhaus Enzyklopädie raksts (vāciski)
• Mūsdienu Ukrainas enciklopēdijas raksts (ukrainiski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)
• Enciklopēdijas Krugosvet raksts (krieviski)
• Olbaltumvielas (latviski)
• Olbaltumvielas produktos (latviski)